- 일경일렉트로닉스_2019/02_기판에 실장되는 전고체 배터리Nikkei Electroincs
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- 저자 : 日経BP社
- 발행일 : 20190120
- 페이지수/크기 : 98page/28cm
요약
Nikkei Electronics_2019.2 특집 요약 (p39-52)
기판에 실장되는 전고체 배터리
IoT단말 고기능화 가능성
제1부 기판용 제품
리플로우(Reflow)로 표면 실장 가능/ 콘덴서를 침식
전고체 배터리를 이용한 Li이온 2차전지, 즉 전고체 배터리가 드디어 실용화된다. 그러나 전기자동차(EV)용이 아니라 기판 표면에 실장되는 부품으로서다. 대부분이 한 변 수mm인 정육면체로 크기는 작지만 그 임팩트는 작지 않다. 일부 콘덴서를 대체하는 등 향후의 회로설계 및 IoT 단말의 기능을 크게 바꿔 나갈 가능성이 있다.
19년은 기판 위에 얹는 부품으로서의 전고체 배터리 원년이 될 것이다. 이미 월 3만개 규모로 샘플 출하하고 있는 TDK에 이어, 국내의 적층세라믹콘덴서(MLCC)나 칩인덕터 업체가 잇달아 기판 실장용 세라믹스에 기초한 전고체 배터리를 개발하고 있다. 세라믹스 기술을 강점으로 하는 NGK Insluator(일본애자)도 ‘반고체배터리’로 민생품 부문에 신규 참여하고 있다. 본고에서는 이들을 ‘세라믹스계 배터리’로 총칭한다.
-- 기판 위의 ‘손님’에서 ‘동료’로 --
지금까지도 기판 위의 회로에 배터리로 전력을 공급하는 용도는 있었다. 그 전력공급원의 대부분이 코인형 1차전지다. 원칙적으로 외부 장착하는 형태로 배터리가 소진하면 교환하는 설계였다. 때문에 기판 입장에서는 ‘손님’이었다.
한편, 이번 세라믹스계 배터리는 저항기나 콘덴서, 인덕터 등의 수동 부품이나 IC 등과 나란히 기판용 부품의 ‘일원’이 되었다. 실제 세라믹스계 배터리의 대부분은 얇은 장방형으로 기존의 수동 부품과 많이 닮았다. 최고 260℃에서의 리플로우 납땜 프로세스에서 기판 상에 표면 실장할 수 있다. “기판 회로설계의 자유도가 높아진다”(무라타제작소)라고 기대하는 목소리가 있다.
단, 예의 바른 ‘일원’은 아니다. 기존의 기판 위의 멤버, 특히 콘덴서 류를 대체하거나 전원의 회로설계를 크게 바꿀 태풍의 눈이 될 가능성이 높기 때문이다.
-- 우선은 내장 시계의 전원 백업 --
세라믹스계 배터리의 현시점에서의 상정 용도는 (1)스마트폰이나 컴퓨터 등 각종 전자기기에서 사용되고 있는 RTC(Real Time Clock)라는 내장 시계의 백업 전원(주로 1차전지)의 대체, (2)IoT 단말 등의 전원으로서의 1차전지의 대체, (3)일부 전해콘덴서나 MLCC, 전기 2중층 캐퍼시터의 대체 등 크게 3가지다.
(1)은 모든 세라믹스계 배터리 생산업체가 주요 용도로 생각하고 있다. 이유는 세라믹스계 배터리의 대부분이 아직 작은 전류용량밖에 대비할 수 없기 때문이다. 예를 들면, TDK의 샘플은 전류용량이 0.1mAh(100µAh)다. 그래도 많은 RTC는 소비전류가 0.3µ~0.8µA로 극히 작기 때문에 적어도 100시간 이상은 RTC에 전력을 계속 공급할 수 있다.
많은 RTC용 백업 전원은, 예를 들면 스마트폰이나 노트북과 같이 콘센트 전원에서 분리되어 있고 메인 전원도 소진된 경우에 잠시 연결해주는 역할을 담당하면 됐다. 수 년의 장기간 연속 가동은 거의 필요 없다. 이 점에서 1차전지보다 2차전지가 RTC의 백업 전원에 적합하다고 할 수 있다.
-- 에너지 하베스팅과의 조합으로 위력 --
(2)의 IoT 단말의 전원으로서의 이용은 기존의 1차전지와 정면 경쟁을 하게 되지만 세라믹스계 배터리의 우위성이 부각된다. 우선 세라믹스계 배터리의 대부분을 차지하는 전고체 배터리는 누수가 없어 배터리의 신뢰성이 높다. 기판 위에서는 상당히 중요한 점이다.
단순한 전류용량 승부에서는 코인형 1차전지에 대적할 수 없다. 그러나 가끔이라도 충전 기회가 있거나 에너지 하베스팅과 같은 미약하나마 비교적 장시간 전력을 얻을 수 있는 경우는 실질적으로 차이가 없어진다. 이렇게 사용하는 2차전지의 순 전류용량은 1회 방전용량ⅹ충전가능회수로 결정되기 때문이다. 이번 세라믹스계 배터리는 대부분이 1,000회 이상 충전할 수 있기 때문에 0.1mAh/회ⅹ1000회=100mAh로, 일반적인 코인형 1차전지의 용량과 비슷하다.
세라믹스계 배터리의 출력 전압은 1.4~2V로 다소 낮은 경우가 많지만 여러 개를 직렬로 나열하거나 승압회로로 처리 가능하다.
-- IoT 단말이 고기능이 된다 --
고온환경에 강하고 소자 모양에 자유도가 큰 것도 세라믹스계 배터리의 특징이다. 때문에 차량탑재용 배터리나 IC카드, 초슬림형 또는 초소형 웨어러블 단말 등에 대한 응용도 기대할 수 있다. 이러한 초소형 단말은 1차배터리로는 저용량밖에 이용할 수 없고 실장 가능한 기능이 한정적이다. 이에 대해 2차전지는 적절한 충전이 가능하기 때문에 용량이나 출력 문제를 회피할 수 있다.
이미 NGK는 독자 개발한 두께 0.45mm의 슬림형 세라믹스계 배터리 ‘Ener Cera Pouch’를 IC카드에 실장하는 방법을 통해, IC카드로 지문센서나 BLE(Bluetooth Low Energy) 등의 무선통신기능 등을 이용할 수 있도록 하였다. 19년 1월에 미국에서 열린 가전·정보기술전시회 ‘CES2019’에서는 이 배터리를 실장한 단말을 무선급전으로 충전하면서 전자종이형 디스플레이를 동작시키는 데모를 선보였다.
“크레딧카드에 무선기능과 디스플레이가 있으면 QR코드의 표시, 카드번호를 사용한 부정 사용의 실시간 통지나 그 자리에서의 번호 재발행 등도 실현할 수 있다”(NGK). 크레딧카드의 번호 자체를 원타임 패스워드로 하는 것도 가능하다.
-- FDK나 NGK는 콘덴서에 도전장 --
(3)의 콘덴서 류의 대체 배경에는, 세라믹스계 배터리의 대부분이 거의 같은 치수의 MLCC의 수백 배의 전류용량을 갖거나, 같은 전류용량을 전기 2중층 캐퍼시터의 약 1/100의 체적으로 실현할 수 있다는 점이 있다. 기존의 Li이온 2차전지(LIB)와 달리, 정전류(CC)만으로 충전할 수 있는 가능성이 있는 등 콘덴서에 대해 불리한 점이 적다는 것도 (3)을 촉진하는 요소가 된다.
그러나 이에 대해서는 세라믹스계 배터리의 업체에 따라서 견해가 크게 다르다. MLCC가 핵심 사업의 하나인 무라타제작소는 “고온환경에 약한 전기장 콘덴서의 대체는 있을 수 있지만 MLCC와는 역할이나 특성이 달라 구분된다”라는 입장이다.
한편, 콘덴서 사업이 없는 FDK는 “MLCC 등을 (세라믹스계 배터리로) 어디까지 대체할 수 있는지를 추구하고 싶다”라고 말한다. NGK도 같은 자세다. 세라믹스계 배터리의 대부분은 전류 출력이 무선통신 용도로는 부족하기 때문에 콘덴서와 조합시킴으로써 출력을 확보할 필요가 있다. 그러나 NGK의 세라믹스계 배터리는 전류용량과 전류출력이 모두 커서 그 콘덴서도 필요 없다. “전기 2중층 캐퍼시터의 대체도 전망할 수 있다”(NGK).
-- 특징은 십인 십색 --
세라믹스계 배터리 자체의 특징도 업체에 따라서 크게 다르다. 예를 들면, MLCC의 제조프로세스를 활용하여 세라믹스계 배터리를 제조하는 다이요유덴(太陽誘電)이나 무라타제작소는 배터리의 2개의 전극이 정극인지 부극인지가 충전할 때까지 정해지지 않는 것이 특징의 하나다. 표면 실장 때 소자의 표리나 방향을 신경쓰지 않아도 된다는 것이 이점이다. “MLCC 등과 동일하게 실장할 수 있다”(다이요유덴).
다이요유덴은 MLCC에서 축적한 기술로 200층의 초다층이나 큰 면적의 세라믹스계 배터리를 제조 가능하다는 점, 80℃, 10C(6분 만에 충전 혹은 방전시킬 수 있는 전류)에서의 급속 충반전에서도 2000 사이클 이상이라는 높은 신뢰성이 있다는 점, 200C, 즉 18초라는 초급속 방전이 가능하다는 점도 어필한다.
-- 기술 차이는 출력전압 등에 반영 --
-- 무극성화보다 고전위를 우선 --
-- 전고체 배터리기 때문에 5V급 정극 실현 --
-- 전고체 배터리에서 ‘반고체배터리’로 --
-- 충전제어 IC가 필요 없는 것도 어필 --
제2부 고용량화를 위한 연구개발
Si계 재료가 부극의 주역으로/ 전해질이 비약의 열쇠
차세대 2차배터리의 개발은 최근에는 해외 업체의 움직임이 눈에 띈다. 전고체 배터리의 양산에 중국업체가 이름을 올리고 있고, 부극에서 Si계 활물질 비율을 80~100중량%로 높였다고 주장하는 사례도 나오기 시작했다. 한편, 차세대 정극의 이용은 전해액 분해라는 벽에 부딪혔다. 향후 큰 발전에는 액체, 고체를 불문하고 차세대 전해질의 개발이 열쇠를 쥐고 있다.
에너지밀도가 높은 차세대 2차배터리에 대한 요구는 높아지고 있다. 제1부에서 소개했듯이 전고체 배터리의 양산이 민생품용에서 시작되었지만 그 이외에서도 다양한 요소 기술의 개발이 동시병행적으로 진행되고 있다.
중에서도 눈에 띄는 것은 크게 2개의 움직임이다. (1)전기자동차(EV)용 전고체 배터리를 실용화하여 양산하려는 움직임, (2)부극에 차세대 재료를 사용하는 움직임이다.
(1)의 EV용 전고체 배터리에 대해서는 해외, 특히 미국에서 특정 벤처기업에 일본을 포함한 전세계의 기업으로부터 수십억 엔에서 100억엔 이상의 자금이 모이기 시작하였다. 최근에는 이 움직임에 중국 기업도 참전. 구체적으로는 배터리용 세퍼레이터 제조를 주력 사업으로 하는 중국 Qing Tao Energy Development가 18년 말에 연산 0.1GWh 규모의 전고체 배터리의 제조라인을 구축하여 20년에는 연산 0.7GWh 규모로 생산한다고 발표하였다. 양산하는 배터리의 중량에너지밀도는 당초에는 300Wh/kg. 단, 실험실에서는 400Wh/kg을 실현하고 있어 양산에서도 서서히 이에 근접해 가고 있다.
-- Si계가 조미료에서 메인 재료로 --
(2)의 차세대 부극 재료는 구체적으로는 실리콘(Si)이나 그 산화물인 SiOx를 가리킨다. 기존의 카본계 재료의 이론용량밀도는 흑연(그래파이트)의 경우 372mAh/g인 것에 대해 Si는 최고 4200mAh/g로 10배 이상 높다. 배터리의 에너지밀도를 높이는데 Si는 중요한 부극 후보 재료라고 할 수 있다.
단, Si에는 Li이온을 흡수하면 체적이 최대 약 4배로 증가하는 과제가 있다. 일반적인 전극으로는 그 규모의 팽창수축을 견디지 못한다. Si계 재료는 이미 에너지밀도를 높이는 목적에서 수 년 전부터 많은 Li이온 2차전지의 카본계 부극 속에 첨가되어 있다. 그러나 팽창수축의 영향이 없도록 처음에는 마치 조미료처럼 첨가량이 10중량% 이하로 억제되고 있었다. 그 후에 차츰 Si계 재료의 비율이 높아졌다. 최근에는 카본계 재료를 대신하여 부극 재료의 주역이 되고 있다.
여기서도 해외 기업의 적극성이 눈에 띈다. 미국 Sila Nanotechnologies는 Si가 지배적이다. 영국 Xexeon, 미국 Amprius 등은 Si의 정극 속 비율이 80~100중량%를 차지한다고 한다. 게다가 모두 Si계 재료의 과제였던 팽창수축 문제를 해결했다고 주장하고 있다.
-- 공간이나 부생성물로 팽창 분 흡수 --
Sila Nanotechnologies의 과제 해결 방법은 Si의 다공질화다. 다공질화로 처음부터 공간에 여유를 줌으로써 체적 팽창의 악영향을 제어한 것 같다. 한편, Amprius는 동(Cu) 기판 위에 침봉처럼 Si 나노와이어를 형성하여 부극으로서 이용한다. 이것도 Si 나노와이어 사이의 공간이 팽창의 버퍼가 되고 있다고 생각된다.
국내에서는 Si계 부극이라고 하면 일산화규소(SiO)를 가리키는 경우가 많다. 예를 들면, 국내에서 Si계 부극의 이용을 견인하는 Hitachi Maxell은 Si의 산화물, SiO를 부극으로 50중량% 이용한 Li이온 2차전지를 16년 시점에서 제품화하였다.
SiO를 이용한 부극을 처음 충전하면, SiO의 3/4은 산소 원자를 방출하여 이후의 충방전 사이클에서 산화물로서가 아니라 Si로서 Li이온이나 전자를 교환한다. 한편, 남는 1/4의 SiO는 Li와 안정적인 화합물 Li4SiO4를 형성하여 충방전에 직접 기여하지 않게 된다. 고용량화라는 점에서는 이점이지만 이 부생성물이 팽창의 압력을 완화하여 부극의 붕괴를 방지하고 있다고 생각된다.
이러한 Si계 부극 재료의 이용 확대를 예측하고 ‘Li 프리도핑’이라는 기술도 각광을 받기 시작하였다. 이것은 SiO부극의 첫 충전 시에 셀 속의 Li이온의 최대 1/4이 안정적인 화합물에 흡수되어 충방전에 기여하지 않게 되는 과제에 대처하는 기술이다.
18년 12월에는 JSR이 Li프리도핑을 Roll to Roll 방식으로 가능하게 하는 기술을 개발했다고 발표하였다. 이러한 움직임으로 인해 Si계 부극은 향후 Li이온 2차전지 재료의 주역 중 하나가 될 것이다.
-- 부극만으로는 성능 향상에 한계 --
그러나 Si계 부극만으로는 배터리의 중량에너지밀도는 대폭으로 향상되지 않는다. 이상적인 경우 최대 30% 증가하는 정도다. 현실적으로는 10~20% 증가가 한계다.
이유는 이렇다. 가령 부극에 100중량%의 Si를 이용했다고 해도 공간 또는 화합물의 버퍼가 부극 체적의 약 3/4을 차지한다. 이것으로 부극의 전류용량밀도는 최대 약 1000mAh/g에 그친다. 그래도 흑연의 약 3배이므로 낮지는 않지만 배터리의 셀 전체에서 본 부극의 중량 또는 체적 비율은 커도 50% 정도다.
-- 차세대 정극 부재는 있지만 과제 산적--
-- 제4의 고체 전해질 대두 --
-- 실온에서도 높은 전도율을 유지 --
-- Na이온 2차전지, 25년에 실용화 --
-- 혼다는 5000Wh/L의 2차전지로 전진 --
-- 끝 --
목차